Kā sasaluši atomi varētu palīdzēt mums uzzināt vairāk no gravitācijas viļņiem

MORE-100 prototips ASV Enerģētikas departaments

Ir pagājuši gadi kopš pirmās gravitācijas viļņu atklāšanas, šīs dīvainās svārstības telpā laikā, ko izraisīja divu masīvu objektu sadursme kosmosā. Šī signāla atrašana apstiprināja Einšteina gadsimtu veco vispārējās relativitātes teoriju, kas saka, ka paātrināti objekti rada telpas laika izliekumus, kas izplatās viļņos. Kopš tā laika zinātnieki ir novērojuši šos signālus desmitiem reižu, izplūstot no daudzām dažādām Visuma daļām un ko izraisa ļoti dažāda veida kosmiskās sadursmes.

Bet kopš šīs vēsturiskās pirmās atklāšanas zinātnieki ir mēģinājuši precīzi noteikt, ko šādi novērojumi var mums pastāstīt par Visumu. Diemžēl visiem tiem ir viens nopietns ierobežojums: tie ir šaurs momentuzņēmums no brīža, kad abi objekti ietriecas viens otrā, un maz kas cits. Vēl ļaunāk, jo mums nav nekādu brīdinājumu, pirms šie notikumi notiks, mēs pat nevaram izmantot citus instrumentus, lai tos pētītu. Bez plašāka konteksta mūsu atklātie gravitācijas viļņi var mums pastāstīt tikai tik daudz, pirms tie izsmels savu lietderību.

Atslēga, lai iegūtu vairāk no šiem signāliem, varētu nākt no jauna eksperimenta, kas veidojas dziļi 100 metru (320 pēdu) vertikālā šahtā Fermilabā Batavijā, Ilinoisā. Šis ir MAGIS-100, projekts, kas izstrādāts, lai noskaidrotu, vai sasalušu atomu šaušanu ar lāzeriem var izmantot, lai novērotu īpaši jutīgus signālus, kas varētu izstiepties telpas laikā. Ja tas izdosies, tas varētu palīdzēt uzsākt jaunu atomu interferometrijas laikmetu, kas varētu atklāt dažus gravitācijas viļņu, tumšās vielas, kvantu mehānikas un citu satraucošu tēmu noslēpumus.

Lūk, kā MAGIS-100 vajadzētu darboties: atomi tiek atdzesēti līdz daļai virs absolūtās nulles (lai tie būtu stabili) un pēc tam nolaižami vakuuma kamerā, kas atrodas šahtā. Lāzers tiek impulsēts pa šo kameru starp atomiem brīvā kritienā, un tiek mērīts laiks, kas nepieciešams, lai gaisma pārvietotos no viena uz otru. Tā kā gaisma vakuumā pārvietojas ar nemainīgu ātrumu, šim laikam jābūt precīzi paredzamam. Jebkuru kavēšanos, iespējams, izraisa jutīgi ārējie signāli - gravitācijas viļņi vai, iespējams, kaut kas cits.

Tas pilnībā neatšķiras no parasto interferometru darbības veida. MAGIS-100 pamatā ir LIGO interferometru sarukta versija, kas 2015. gadā veica pirmos gravitācijas viļņu noteikšanu. Atšķirība ir tāda, ka LIGO atomu vietā izmanto spoguļus, kas atrodas vairāku kilometru attālumā viens no otra. Šie spoguļi ir jutīgi pret traucējumiem, ko izraisa perturbācijas zemē, kas apgrūtina faktisko signālu atšķiršanu no viltus trokšņiem. Teorētiski brīvi krītošs atoms šādā veidā netiks ietekmēts.

Stenfordas universitātes fiziķis Džeisons Hogans, viens no projekta vadītājiem, MAGIS-100 tehnoloģiju salīdzina ar interferometra un atompulksteņa hibrīdu. Viņš saka, ka šie atomi pamatā darbojas kā ārkārtīgi labi hronometri, kas saglabā laiku uz gaismas izplatīšanos un meklē svārstības, ko izraisa citi signāli.

Atompulksteņa salīdzināšanai ir jēga. Ja MAGIS-100 10 metru priekštecis izmantoja rubīdija atomus, pašreizējais instruments izmantos stroncija atomus, kas pašlaik tiek izmantoti labākajos atompulksteņos pasaulē. Tie ir mazāk jutīgi pret ārējiem magnētiskajiem laukiem nekā citi atomi, kas nozīmē, ka Visuma dzīves laikā tie zaudē vienu sekundi, saka Hogans.

Cerams, ka nākotnes, lielāka MAGIS-100 versija spēs uztvert gravitācijas viļņu notikumus, kas neietilpst lielos projektos, piemēram, LIGO vai Virgo, kas atrodas Itālijā.

LIGO aprobežojas ar signālu mērīšanu frekvencēs no 10 herciem līdz 1 kilohercu. Tas nozīmē, ka tas var uztvert tikai tādus masīvus notikumus kā divu melno caurumu saplūšana vai divas neitronu zvaigznes . Šo notikumu sākumā tiek izstaroti gravitācijas viļņi, kuru frekvence ir zemāka par 10 Hz, kad objekti sāk riņķot viens ap otru. Jo tuvāk tie tuvojas, jo ātrāk tie riņķo orbītā (gandrīz 300 orbītas sekundē), griežoties tik ātri, ka galu galā rada gravitācijas viļņus, kas pārsniedz 10 Hz. Šie pārrāvuma notikumi ilgst apmēram 100 sekundes, pirms apvienošanās ir pabeigta, un gravitācijas viļņi sašaurinās daudz zemākās frekvencēs. Tas, ko LIGO var redzēt, patiesībā ir tikai nobeigums ilgam procesam, kas sākas krietni iepriekš.

Tikmēr atomu interferometrija var izmērīt frekvences no 10 Hz līdz 100 MHz vai mazāk. Tas varētu uztvert mazākus gravitācijas viļņus, kas tiek izstaroti mēnešus vai pat gadu pirms sprādziena notikuma. Tas ne tikai palīdzētu atklāt pilnīgāku priekšstatu par to, kā šīs lielākās parādības notiek un kāpēc, bet tas varētu brīdināt zinātniekus, kur un kad tās notiks. Tas iegādātos laiku, lai uzstādītu aprīkojumu, kas tos varētu novērot ar citiem līdzekļiem, tostarp radioviļņiem, optisko gaismu, infrasarkano staru, UV starojumu, rentgena un gamma stariem.

Mans sapņu scenārijs, saka Hogans, ir noteikt avotu vidējā joslā, piemēram, neitronu zvaigzni vai melnā cauruma bināro elementu; izdomājiet, no kurienes tas nāk no debesīm; un norādiet ikvienam datumu, laiku un vietu, kur norādīt citus instrumentus. Iespējams, mēs varēsim vērot, kā šī apvienošanās notiek reāllaikā.

Spēja uztvert šīs zemākās frekvences varētu nozīmēt, ka varētu pētīt arī gravitācijas viļņus, ko izstaro klusākas, mazāk masīvas parādības. Tas varētu dot mums iespēju atbildēt uz dažiem kosmoloģiskiem jautājumiem par to, kā veidojās un attīstījās agrīnais Visums, saka Hogans.

Piemēram, atomu interferometrija var ietekmēt arī tumšās vielas meklēšanu. Dažas teorijas liecina, ka tumšā viela ir īpaši zemas masas materiāls, kas vairāk uzvedas kā elektromagnētiskais vilnis. Tā klātbūtne var izraisīt nelielu mijiedarbību, kas radītu izmērāmu enerģijas ietekmi aptuveni 1 Hz. Hogans un viņa kolēģi vēlas pārbaudīt, vai MAGIS-100 vai lielāka versija varētu uztvert šos signālus un, iespējams, sniegt tiešu ieskatu pašā tumšajā matērijā.

Jums ir divi izmeklēšanas mērķi, kurus var sasniegt vienlaikus ar vienu un to pašu detektoru, saka Olivers Buchmuellers, viens no organizācijas vadītājiem. Atomu interferometriskā observatorija un tīkls (AION) projekts Apvienotajā Karalistē, priekšlikums ir līdzīgs MAGIS. Tas ir ārkārtīgi intriģējošs veids, kā nogalināt divus putnus ar vienu akmeni.

Tas viss pagaidām ir spekulatīvs. MAGIS-100 ir tikai eksperimentāls prototips. Atomu interferometram vajadzētu būt garākam par kilometru, lai tas būtu pietiekami jutīgs, lai veiktu jebkādus atklājumus saistībā ar gravitācijas viļņiem. Hogans saka, ka viņš un viņa kolēģi jau izstrādā idejas kilometru garai versijai un domā par šīs tehnoloģijas satelīta versijām, kur atomu interferometrija patiešām varētu spīdēt.

Caltech fiziķe Rana Adhikari, kas strādā ar LIGO, brīdina, ka pat tad, ja spoguļu vietā izmantojat atomus, jūs joprojām saskaraties ar izmaiņām, kas ir ārkārtīgi mazas, bet joprojām problemātiskas, Zemes gravitācijas laukā. No otras puses, kosmosa atomu interferometrs būtu visjutīgākais jebkad konstruētais instruments, kas spēj novērot gravitācijas viļņus viszemākajās iedomājamās frekvencēs. Tas būtu vislielākais jutīgums, kas sasniegts šāda veida zinātnei, saka Buchmueller.

Stenfordas pētnieki nav vienīgie, kas interesējas par šo tehnoloģiju, lai gan viņi noteikti ir vadošie. Papildus AION grupai Francija un Ķīna izstrādā arī atomu interferometrijas sistēmas, kaut arī ar modifikācijām (piemēram, Francijā ierīce darbojas horizontāli). Tāpat kā LIGO izmanto trīs dažādus detektorus, lai apstiprinātu gravitācijas viļņu signālus, Buchmueller cer, ka šie dažādie atomu interferometrijas projekti var apstiprināt viens otra atklājumus un pierādīt, ka tehnoloģija ir patiesa.

Līdz šim Stenfordas komanda pieliek pēdējo pieskārienu pašam MAGIS-100 prototipam un veido stroncija atomu avotus. Fermilab pusē notiek uzstādīšana. Ideālā gadījumā mēs redzēsim, ka aparāts būs pilnībā uzstādīts 2021. gada vasarā un būs gatavs darbam rudenī. Testēšana notiks nākamo trīs gadu laikā.

Ilgākā laika posmā Buchmueller domā, ka šim darbam ir arī iespēja ietekmēt lietojumus ārpus gravitācijas viļņu medībām. Viņš saka, ka spēja izveidot šādus jutīgus sensorus un samazināt tos kompaktās ierīcēs galu galā varētu būt noderīga kuģu navigācijai vai militāriem lietojumiem.

Mēs varētu redzēt nākotni, kurā pārnēsājamu ierīci, kas var ievietot automašīnā, varētu izmantot, lai palīdzētu naftas izpētē, meklētu strukturālas kļūdas vai savlaicīgi atklātu zemestrīces, saka Adhikari. Iespējams, ka atomu interferometrija un tās atdalīšanas tehnoloģijas ilgtermiņā var izrādīties daudz noderīgākas cilvēcei, viņš saka.

paslēpties